Vytápění budov s nízkou potřebou energie
Příspěvek je zaměřen na posouzení vhodnosti volby zdroje tepla u budov s nízkou potřebou energie ve vztahu pohledu projektanta a investora. Hlavním tématem je využití obnovitelných zdrojů energie (dle pohledu vyhlášky č. 78/2013 Sb.) a tepelných čerpadel.
Úvod
Při pohledu na současný trend za posledních 10 let u výstavby bytové sféry je zřejmá snaha o minimalizaci provozních nákladů budov. Základní ukazatel „kvality budovy“ byl vyhláškou č. 78/2013 Sb. o energetické náročnosti budovy nastaven do tzv. průkazu energetické náročnosti budovy (PENB). Z pohledu investora (uživatele budovy) PENB ukazuje přehled energetických potřeb pro zajištění typického užívání budovy, pro které je budova určena. Mezi základní ukazatele energetické náročnosti budovy zobrazené na druhém listě grafické podoby PENB patří průměrný součinitel prostupu tepla budovy a dílčí dodaná energie pro technické systémy (vytápění, chlazení, větrání, úpravu vlhkosti vzduchu, přípravu teplé vody a osvětlení).
Pohled investor vs. projektant
Je zřejmé, že při pohledu na PENB by každý investor požadoval provozní nároky své budovy, tak aby byly splněny kritéria řadící posuzovanou budovu do kategorie „Mimořádně úsporná – A“. Tento úkol není z pohledu projektanta technicky neřešitelný, ale ve většině případů navržené technické řešení naráží na pohled investora a to ať již finanční, estetický nebo velmi často i osobní. Investora většinou nezajímají podrobné informace o tom co je nebo není nízkoenergetický nebo pasivní dům. Jeho pohled je většinou čistě ekonomický. Bohužel v dnešním světě téměř neomezených možností získávání informací jsou už v první fázi jednání mezi investorem a projektantem poznamenány více či méně zkreslenou představou investora o tom jak bude budova z pohledu minimalizace provozních nákladů navržena. Není výjimkou požadavek investora na budovu s téměř nulovou potřebou energie, ale za základního požadavku, že nebude řešena problematika větrání (investor nechce „drahou“ vzduchotechniku), nebo požadavek investora v letních měsících na teplotu vnitřního prostředí v rozmezí 20 °C až 22 °C (investor si neuvědomuje nároky spojené s nutností strojního chlazení apod.). Úkolem projektanta je tak nalézt řešení, které bude pro investora akceptovatelné jak po technické, tak i po ekonomické stránce. A to je někdy úkol velmi nesnadný.
Volba zdroje tepla
Základní vstupní informací pro výběr vhodného zdroje tepla, typu otopné plochy nebo regulace je pro projektanta energetická bilance posuzované budovy. Hlavní parametry tvoří potřeba tepla na vytápění a přípravu teplé vody. U budov s nízkou potřebou energie je zřejmé, že rozhodující část potřeby energie pro provoz budovy nemusí nutně představovat potřeba tepla na vytápění, ale právě potřeba energie pro zajištění teplé vody.
Pokud přihlédneme k základním možnostem návrhu nezávislého zdroje tepla pro rodinné domy splňující kritéria budov s nízkou potřebou energie, jsou nejčastěji dány tyto možnosti:
- Zdroj tepla na plynná nebo kapalná paliva
- Zdroj tepla na biomasu
- Využití tepelného čerpadla (viz předchozí příspěvek „Tepelné čerpadlo a příprava teplé vody“)
- Kombinace a) a b) s podporou obnovitelných zdrojů energie
Zdroje tepla na plynná nebo kapalná paliva mají hlavní výhody v bezobslužném provozu, širokém pásmu modulace tepelného výkonu a malé náročnosti na zastavěný prostor. Možnosti zapojení jsou již poměrně dobře popsané a provozem ověřené. Nevýhodou je samozřejmě dostupnost paliva. U plynných paliv (nejčastěji zemní plyn) je tak nutnost mít k dispozici buď plynofikaci daného pozemku, nebo jak pro plynná tak i kapalná paliva je nutné zřídit zásobník paliva, což sebou nese nemalé investiční náklady.
Jiná situace je u zdrojů tepla na tuhá paliva. Výhodou je sice možnost využití široké škály tuhých paliv, ale i zde je důležitá otázka dostupnosti daného typu paliva a nutnost jeho skladování. Hlavní nevýhodou je pak potřeba obsluhy (alespoň občasné) a z hlediska provozu otopné soustavy pak obtížně řešitelná regulace tepelného výkonu zdroje. Základní schéma zapojení, které by mělo výše uvedené nedostatky zmírnit, je uvedeno na obr. 1.
Obr. 1 Základní možnost zapojení kotle na biomasu pro rodinné domy (AN – Akumulační nádrž, ČAN – Čidlo teploty akumulační nádrže, ČK – Čidlo zpátečky kotle, ČTV – Čidlo teploty zásobníku teplé vody, ČTE – Čidlo venkovní teploty, ČOS – Čidlo teploty pro otopný systém, EN – Expanzní nádoba, K – Kotel, OČ1 – Oběhové čerpadlo otopného systému otopných těles, OČ2 – Oběhové čerpadlo otopného systému podlahové vytápění, OČ3 – Nabíjecí čerpadlo akumulační nádrže otopné soustavy, OČ4 – Nabíjecí čerpadlo zásobníku teplé vody, PV – Pojistný ventil, R – Ekvitermní elektronická regulace, TRV – Trojcestný směšovací ventil, TRVS – Trojcestný termostatický směšovací ventil, TV – Zásobník teplé vody)
Takové schéma je dnes standardní z pohledu odborné veřejnosti, na druhou stranu právě pohled investora může být v tuto chvíli velmi omezující. V ČR existuje cca 600 000 malých stacionárních zdrojů na tuhá paliva. Jejich majitelé se jen velmi obtížně smiřují s dopady požadavků zákona č. 201/2012 Sb. o ochraně ovzduší, resp. normy ČSN EN 303-5 (tzn. požadavků na emisní třídy těchto kotlů a jejich plnění). Majitel staršího typu kotle na tuhá paliva sice provede stavební úpravy na svém domě a může se tak z pohledu průměrného součinitele prostupu tepla dostat do kategorie např. nízkoenergetické budovy, ale stále velmi často opomíjí dopad takového opatření na provoz stávajícího zdroje tepla. Pro zajištění optimálních provozních podmínek nejen pro zdroj tepla na tuhá paliva, ale i pro regulaci otopného systému a minimalizaci nároků na obsluhu takového zdroje tepla je nutné provést základní opatření ve smyslu obr. 1. To ale majiteli domu přináší další a to ne malé investiční náklady (desítky tisíc korun), které on velmi často považuje za zbytečné.
Pokud začneme přemýšlet o využití obnovitelných zdrojů energie (OZE) ať již jako hlavního zdroje tepla nebo k podpoře jiného typu zdroje tepla je optimální, když si sestavíme základní energetickou bilanci získané energie z OZE vůči požadavkům na potřebu energie v objektu. Jako příklad je uveden rodinný dům, který byl postaven v roce 1995. Jeho tepelná ztráta byla 8,5 kW, pro potřebu teplé vody je uvažováno se 4 osobami a poměrnou ztrátou rozvodů teplé vody cca 20 %. V souladu s výpočtem dle ČSN EN ISO 13 790 je potřeba tepla na vytápění cca 18 900 kWh/a pro stav z roku 1995. Pokud se majitel rozhodne např. pro solární kolektory, které budou podporovat pouze přípravu teplé vody (4 osoby), lze provést základní energetickou bilanci [L3] dle obr. 2.
Obr. 2 Energetická bilance potřeby energie pro přípravu teplé vody a získané energie navržených solárních kolektorů (Pozn. bilance uváděné na obr. 2 a 3 jsou vždy pro stejný typ, počet, orientaci a sklon kolektorů).
Návrh solárních kolektorů dle obr. 2 je proveden tak, aby bylo dosaženo minimálních přebytků tepla v letních měsících. Jak můžeme odečíst z obr. 2 je celková potřeba energie na přípravu teplé vody pro řešený objekt cca 4 200 kWh/a (uvažováno se sníženou potřebou teplé vody v letních měsících). Celková vyrobená energie solárních kolektorů je cca 2 200 kWh/a. Což v poměru dává pokrytí potřeby tepla pro přípravu teplé vody cca 53 %.
Obr. 3 Energetická bilance potřeby energie pro přípravu teplé vody, podporu vytápění (původní stav domu z roku 1995) a získané energie navržených solárních kolektorů.
Další obrázek 3 představuje totožný případ nicméně pro případ, že se majitel rozhodne stejný počet kolektorů jako v případě bilance dle obr. 2 využít i k podpoře vytápění. Jak je vidět využití solárních zisků z kolektorů je pro takový případ minimální (cca 9,5 %). Pokud bychom navyšovali počet kolektorů, abychom i pro vytápění získali více energie pak je zřejmé, že nám společně s investicí do solárních panelů poroste také investice do akumulačních zásobníků, neboť bude solární soustava produkovat více energie, než bude její skutečná spotřeba a mi se tuto energii budeme snažit někde akumulovat.
Co ale v případě, když se majitel domu rozhodne provést zateplení domu a snížit tak nároky na potřebu tepla pro vytápění. Jaký vliv tato opatření budou mít na využití solárních kolektorů v celkové bilanci domu. V prvém případě bylo uvažováno se zateplením na hodnoty požadované pro nízkoenergetické budovy. Celková potřeba energie na vytápění se snížila na cca 10 100 kWh/a. V druhém případě budeme uvažovat se zateplením na hodnoty požadované pro pasivní budovy a s využitím zpětného získávání tepla pro větrání domu (ηZZT = 85 %). Celková potřeba energie na vytápění je pak cca 3 100 kWh/a. Výsledky vypočtených variant pak shrnuje následující tabulka 1.
| Úprava stavebních konstrukcí řešeného domu | Potřeba energie na VYT a TV [kWh/a] | Vyrobená energie solárními kolektory [kWh/a] | Pokrytí celkové potřeby tepla ze solárních kolektorů [%] | Podíl potřeby energie na přípravu TV [%] |
|---|---|---|---|---|
| Původní stav z roku 1995 | 23 100 | 2 200 | 9,5 | 18,1 |
| Úprava na parametry pro nízkoenergetické domy | 14 300 | 2 200 | 15,4 | 30,0 |
| Úprava na parametry pro pasivní domy (ηZZT = 85 %) | 7 300 | 2 200 | 30,1 | 57,5 |
Závěr
Jak je vidět z tabulky 1, pokud snižujeme energetickou náročnost budovy ve vztahu na potřebu tepla na vytápění (zateplení obálky budovy, využití zpětného získávání tepla, atd.), roste význam ostatních energií potřebných pro provoz domu. Jak nám ukázal jednoduchý příklad, v případě potřeby tepla pro přípravu teplé vody se podíl na celkovém dodaném teple u budov s nízkou potřebou energie může pohybovat v rozmezí od 50 do 70 %. To samozřejmě při návrhu systému vytápění klade rozdílné nároky jak na provoz zdroje tepla tak i otopnou soustavu. Není výjimkou, že v případě budov s nízkou potřebou energie je rozhodující nejen energetický požadavek na zajištění teplé vody, ale zároveň i požadavek na výstupní teplotu teplé vody (55 °C). U nízkoteplotních otopných soustav je tak velmi často vyhovující nízkopotenciální zdroj tepla pro vytápění, ale jeho provoz může být velmi problematický v případě nutnosti splnění požadavků i na teplou vodu.
V následujícím volně navazujícím příspěvku bude popsána vazba mezi použitím tepelného čerpadla pro vytápění a současně přípravu teplé vody se zaměřením na stanovení velikosti zásobníku teplé vody.
Literatura
- [L1] ČSN EN ISO 13 790 Energetická náročnost budov – Výpočet spotřeby energie na vytápění a chlazení, ČNI 2009.
- [L2] Vyhláška č. 78/2013 Sb. o energetické náročnosti budov.
- [L3] Šourek, B., Matuška, T.: Program BilanceSS_5.4. Dostupné z: http://users.fs.cvut.cz/tomas.matuska/?page_id=158.
The article discusses the appropriateness of choice source of heat for buildings with low energy requirements in respect of view of the designer and investor. The main theme is the use of renewable energy sources.